響應面法優化渾濁IPA釀造工藝

張薇，翟乃明，鄧鴻鈺，譚兆順，董小雷

齊魯工業大學生物工程學院，山東省微生物重點試驗室（濟南 250353）

India Pale Ale（IPA）全稱為印度淡色艾爾，琥珀色，啤酒花香氣濃郁，酒精度高，因其有渾濁無過濾感的“IPA風格”而風靡美國東海岸[1]。對于渾濁啤酒最早的研究是美國大名鼎鼎的釀酒師Greg Noonan，最早量產的渾濁IPA的成功不在于渾濁，而是啤酒花所帶出的熱帶水果味令人震撼，且更低的苦度和更順滑的口感，在傳統的IPA釀造中盡量避免酒體渾濁，但是渾濁IPA卻需要通過各種手段增加渾濁效果。

目前，渾濁IPA的渾濁度與哪些因素密切相關仍是一個值得研究的話題，在釀造過程中，酒花中的多酚含量，麥芽中的蛋白質含量，酵母的絮凝能力以及產酯能力都會對IPA的渾濁度產生影響，渾濁IPA的酒花香氣濃郁熱烈，燕麥又賦予了啤酒柔軟、奶油般的酒體，開創了渾濁IPA的時代[2]。

現階段，我國渾濁IPA的研究并不是很多，研究通過改變發酵溫度，酒花添加量以及燕麥添加比例，結合單因素試驗與響應面法，使得釀造工藝條件達到最優，確保渾濁IPA在未來大規模生產中的可行性和科學性。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

麥芽（加麥、結晶麥芽、小麥芽和燕麥片），永順泰（昌樂）麥芽有限公司；90型彗星酒花顆粒、摩西酒花顆粒、西姆科酒花顆粒，美國雅基瑪聯合酒花有限公司；上面發酵啤酒酵母Londonale，弗曼迪斯酵母有限公司；硫酸鈣、無水氯化鈣、乳酸、無水乙醇，石家莊寧諾蓋德商貿有限公司；鄰苯二胺（分析純），德州潤昕實驗儀器有限公司。

1.2 儀器與設備

UV2350分光光度計，上海鼎科科學儀器有限公司；BSA124S電子天平，濟南鑫貝西生物技術有限公司；SD9012BEBC色度計，上海昕瑞儀器設備有限公司；WGZ-2PJ濁度計，上海昕瑞儀器設備有限公司；糖化設備及發酵罐，青島德曼啤酒技術裝備。

1.3 方法

1.3.1 渾濁IPA的工藝流程及操作要點

麥芽粉碎→糖化→麥汁過濾→麥汁煮沸→回旋沉淀→麥汁冷卻充氧→發酵→酒花干投→降溫冷貯→成品酒

1.3.2 操作要點

1.3.2.1 麥芽粉碎

根據成品酒色度及原麥汁濃度，計算得原料配比：加麥70%，燕麥15%，小麥10%，結晶麥芽5%，使用增濕粉碎法進行粉碎，使用對輥粉碎機，轉速為160～ 180 r/min[3]。要求麥芽的皮殼破而不碎，粉碎效果粗細得當，既不影響原料浸出率，也不影響過濾速度。

1.3.2.2 糖化

料水比控制為1∶3.5（kg/L）左右，進行1.5 t的試驗，采用單醪浸出糖化法，投料過程控制溫度，開啟攪拌使得水料混合均勻，投料結束時，測定pH，加人糖化助劑氯化鈣300 g，生石膏150 g，使得pH在5.4～ 5.6范圍內[4]。醪液溫度在50 ℃，恒溫保持15 min；升溫至63 ℃，恒溫保持60 min；升溫至68 ℃，恒溫保持30 min，此階段結束后取麥汁進行碘試；升溫至78 ℃，保溫10 min，糖化結束。

1.3.2.3 麥汁過濾

麥汁轉移至過濾槽前，先進行鋪底，從過濾槽底部泵入78 ℃的熱水至沒過篦子板以排出濾板和槽底質檢的空氣，承托醪液。麥汁泵入過濾槽后，靜置13 min形成過濾層，之后進行回流，直至麥汁開始澄清即進行過濾第一麥汁。過濾閥開始時開啟較小，逐步開大，開啟耕糟機耕糟，耕刀轉速要慢，疏松濾層。第一麥汁過濾完后，進行洗糟，在洗糟過程中添加氯化鈣200 g，生石膏100 g，洗糟兩次，洗糟水溫控制在76～78 ℃之間。

1.3.2.4 麥汁煮沸

將過濾完成的麥汁進行煮沸，分3次添加酒花，麥汁初沸時，添加哥倫布500 g；煮沸結束前15 min，添加彗星2 000 g；煮沸終了，添加彗星2 000 g，西姆科2 200 g。煮沸60 min，煮沸強度（麥汁蒸發量）控制在9%左右。

1.3.2.5 回旋沉淀及麥汁冷卻

麥汁煮沸結束后，泵入回旋沉淀槽，靜置20 min，將熱凝固物與麥汁進行分離；將麥汁轉移至發酵罐，冷卻過程中對麥汁進行充氧，充氧量控制在8～10 mg/L，冷麥汁溫度為18±0.5 ℃。

1.3.2.6 發酵

在酵母添加罐中使用無菌水將Londonale Ⅲ酵母進行活化，將活化好的酵母液與麥汁混勻打至發酵罐[5]。發酵罐滿罐自然升溫至19 ℃發酵，糖度降至4.5 °P時干投彗星和西姆科酒花并封罐，壓力為0.1～0.12 MPa，封罐后控制溫度在20 ℃，進行雙乙酰還原。

1.3.2.7 酒花干投

在封罐時進行干投，即當糖度降到4.5～4 °P時，將彗星、摩西和西姆科按照比例進行干投，酒花總干投量為6 g/L。

1.3.2.8 降溫冷貯

當測定的殘余糖度連續3 d相同時。測定雙乙酰含量，達到要求的含量即可將啤酒降溫至0～1 ℃，壓力保持在0.1～0.14 MPa，當壓力較低時，從CIP中充入二氧化碳，啤酒冷貯至少7 d，即可進行灌裝。

1.3.3 單因素優化試驗

在單因素試驗的基礎上，以感官評分為主要評價指標，對比燕麥比例（5%，10%，15%，20%和25%）、酒花干投量（4.5，5.0，5.5，6.0和6.5 g/L）、發酵溫度（16，18，20和22 ℃）對渾濁IPA啤酒品質和口味的影響[6]。

1.3.4 釀造工藝條件的響應面試驗

在單因素試驗的基礎上，以感官評分（Y）為響應值，選取燕麥比例（A）、發酵溫度（B）、酒花干投量（C）為自變量，設計三因素三水平的響應面試驗[7]，確定最佳的工藝條件。試驗因素與水平見表1。

表1 利用Box-Behnken試驗優化渾濁IPA啤酒發酵工藝的因素與水平

1.3.5 感官評價及理化檢測方法

1.3.5.1 感官評價標準

在啤酒成熟以后，組成品評小組，分別從外觀、泡沫、香氣和口味3個方面進行品評打分，滿分100分，取平均分。具體評分標準根據感官品評小組判定。

1.3.5.2 理化指標

雙乙酰、色度、濁度、泡持性以及苦味值和總酸的測定參考GB/T 4927—2008《啤酒》中的方法[8]；二氧化碳含量的測定使用二氧化碳測定儀檢測；pH使用pH計直接測量。

2 結果分析

2.1 響應面試驗結果

使用Design-Expert 8.0軟件對結果進行處理，選取燕麥比例（A）、發酵溫度（B）以及酒花干投量（C）3個因素，以感官評分（Y）為響應值，對釀造過程進行優化。試驗的設計方案見表2。響應面試驗結果方差分析見表3[9]。將所得試驗數據利用Design- Expert 8.0軟件對各因素進行多元回歸擬合，得到二次多項回歸方程：

Y=91.60+1.25A-0.50B+1.25C+1.50AB+2.00AC-1.50BC-4.80A2-1.80B2-3.80C2

表2 利用Box-Behnken試驗優化渾濁IPA釀造工藝的設計與結果

由表3可知，該回歸線模型的p＜0.000 1，說明回歸模型的影響達到顯著水平（p＜0.01）；失擬項p=0.853 7＞0.05，表明失擬項不顯著；3個因素的影響大小為C（酒花干投量）＞A（燕麥比例）＞B（發酵溫度）[10]；模型p＜0.01，說明該模型極顯著，失擬項p=0.853 7＞0.05，表明模型失擬不顯著。

表3 響應面試驗結果方差分析

相關系數R2=0.975 7，接近于1，表明二次多項式方程能充分擬合試驗數據，方程擬合度很好。響應值Y的變異系數CV=1.09%＜5%，說明試驗的精確度和重復性較高。校正相關系數R2Adj=0.94和預測相關系數R2pred=0.905很接近，表明所建立的模型可用于優化渾濁IPA啤酒發酵工藝條件的分析[11]。

采用Design-Expert 8.0軟件根據回歸方程繪制等高線和響應面圖，如圖1所示。由圖1可知，發酵溫度與酒花干投量交互作用及酒花干投量與麥芽比例交互作用顯著，與表4中的交互項p值的分析結果一致[12]。

圖1 發酵溫度、燕麥比例、酒花干投量對渾濁IPA啤酒感官評分的影響的響應面及等高線

由此響應面的分析可知，渾濁IPA啤酒最佳釀造工藝條件為燕麥比例15.76%，發酵溫度19.65 ℃，酒花干投量6.12 g/L，在此最優條件下，渾濁IPA啤酒的感官評分為91.888 7分。為了便于實際操作的可行性，將釀造工藝條件調整為發酵溫度20 ℃，燕麥比例15.8%，酒花干投量為6.1 g/L，得到的啤酒感官評分均值為91.5分，與預測值接近，響應面法優化渾濁IPA啤酒釀造工藝條件所得結果是可行的[13]。

2.2 渾濁IPA啤酒檢測分析結果

對優化后的渾濁IPA啤酒進行理化指標和衛生指標的檢測分析[14]。結果表明，均符合國家相關標準，具體數值見表4。

表4 渾濁IPA啤酒理化指標、衛生指標檢測結果

所釀造的渾濁IPA顏色較淺，酒體渾濁，伴有柔和的麥芽特征，主宰風格的是水果酒花香氣，以及新鮮度和濃郁度。帶有許多熱帶水果風味，苦味值為中低度，酒體醇厚，泡沫細膩，掛杯持久，殺口力強。

3 結論

研究以加麥麥芽、燕麥片、小麥及酒花為主要原料，選用Londonale酵母，在發酵過程中進行酒花干投，釀制渾濁度較高的IPA，考察了發酵溫度、燕麥比例以及酒花干投量對啤酒感官評分的影響。利用響應面分析法優化啤酒釀造工藝條件，得出了最佳工藝參數為發酵溫度20 ℃，燕麥比例15%，與行業標準（15.8%）接近[15]，酒花干投量為6.1 g/L，得到的啤酒感官評分均值為91.5分。這款渾濁IPA通過詳細的研究，深入的分析，為渾濁IPA在中國的發展奠定了堅實的理論基礎，具有重要的指導意義。